As atividades dos membros do Grupo de Fenômenos Ultrarrápidos e Comunicações Ópticas estão intimamente ligadas às pesquisas e à coordenação de três grandes projetos: o Centro de Pesquisas em Óptica e Fotônica ( CePOF) , a Kyatera e o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Fotônica para Comunicações Ópticas ( Fotonicom ). Os projetos CePOF e Kyatera são fomentados pela Fundação de Apoio a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP). O FOTONICOM tem como financiadores o Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento (CNPq) e a FAPESP.

Na parte diretamente relacionada com as pesquisas, seus membros participam com estudos sobre as comunicações ópticas – fibras ópticas, dispositivos ópticos e investigações sobre fenômenos ultrarrápidos (que utilizam lasers com pulsos ultracurtos para investigação de eventos que ocorrem em escala de tempo muito pequenas, abaixo de quatrilionésimos de segundo, ou “femtossegundos”).

Comunicações Ópticas - As fibras e os dispositivos ópticos

Há projeções que indicam que, se a Internet continuar a evoluir como tem acontecido nos últimos anos, será necessário aumentar de 100 a 1000 vezes a capacidade de transmissão de dados na rede. Caso contrário, poderá haver um imenso congestionamento mundial. Para isso, é preciso o desenvolvimento de novas tecnologias de transmissão – as fibras ópticas e outros componentes das redes de comunicação ópticas (amplificadores, laser, moduladores etc.). Contribuir para a solução desse problema é uma das principais preocupações do grupo.

A própria Internet foi viabilizada com as dimensões de hoje por causa do advento das fibras ópticas. Nelas, a luz (na forma de laser) é que transporta a informação – assim como, nas comunicações telefônicas, de rádio ou de televisão, são as ondas eletromagnéticas e, dentro de computadores e de outros equipamentos eletrônicos, é a corrente elétrica. Nas redes de comunicação ópticas, existem também “versões ópticas” dos outros diversos dispositivos necessários – amplificadores ópticos, moduladores ópticos, chaves ópticas etc. É a área de pesquisa chamada “fotônica”.

Fabricando fibras ópticas

Para se manufaturar uma fibra óptica, primeiro é feita uma versão maior e mais curta (a “pré-forma”); depois, a pré-forma é esticada (diz-se “puxada”) até se tornar longa e fina.

Acima: pré-forma de uma fibra óptica de cristal fotônico, feita por empilhamento de tubos. Em (1), um esquema de um corte transversal dos tubos empilhados. Em (b), os tubos acomodados dentro da jaqueta de vidro.
Fonte: Tese de mestrado de Giancarlo Chesini, IFGW/Unicamp (2009), pág. 10.

Aparelho para realizar o puxamento da fibra.
Fonte: Tese de mestrado de Giancarlo Chesini, IFGW/Unicamp (2009), pág. 8. À esquerda, esquema simplificado do seu funcionamento.

Os fenômenos ultrarrápidos e os pontos quânticos

Uma outra parte do grupo se dedica a estudos com potencial de aplicações mais gerais, como sobre pontos quânticos, usados não só em comunicações ópticas, mas também em aplicações em biologia e medicina (como marcadores biológicos e imagens tridimensionais), em células solares e em computadores quânticos, além de serem muito úteis para investigar fenômenos físicos fundamentais.

Um ponto quântico é um tipo de confinamento, uma espécie de “armadilha” microscópica, inserida dentro de um material semicondutor, capaz de aprisionar elétrons (que, de outra forma, estariam livres para mover-se pelo material – por exemplo, conduzindo eletricidade).

Essa armadilha pode ter várias formas. Pode ser, por exemplo, uma partícula microscópica de substância diferente dentro do material. A fronteira entre a partícula e o corpo da amostra, em certos casos, forma uma “barreira” que impede os elétrons de sair. É possível fazer amostras que possuem dentro de si vários desses fragmentos microscópicos – digamos, um pedaço de chumbo com partículas de telúrio (PbTe). Um material manufaturado assim é chamado nanoestruturado, pois essas partículas são, em geral, nanométricas – isto é, possuem alguns ou dezenas de nanômetros de diâmetro.

Os materiais com pontos quânticos dentro de si possuem propriedades bastante interessantes. Permitem, por exemplo, a ocorrência controlada de fenômenos físicos surpreendentemente rápidos, que duram poucos femtossegundos (fs) – quatrilionésimos de segundo. Por isso, eles têm potencial para serem usados em dispositivos ópticos que precisam ser muito velozes – como chaves ópticas ultrarrápidas.

Outro dispositivo ultrarrápido muito estudado são os lasers com pulsação de femtossegundos. São usados para se observar e estudar certos fenômenos físicos transitórios muito rápidos, como, por exemplo, os que acontecem com os elétrons de um dispositivo microeletrônico nos momentos em que ele é ligado ou desligado.

Pontos quânticos. À esquerda: nanopartículas de selênio (Se) em uma matriz de cádmio (Cd), obtidas por microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Essas nanopartículas funcionam como pontos quânticos. A amostra foi fabricada no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Padova, na Itália, e usada pelo grupo para suas pesquisas. No canto inferior esquerdo há uma barra horizontal de 20 nanômetros (nm) de comprimento para indicar a escala da figura. À direita, no alto: O CdSe visto com maior aumento, sendo possível ver duas nanopartículas, com cerca de 5 nm de diâmetro cada uma. À direita, abaixo: gráfico indicando o número de nanopartículas de cada diâmetro observadas na amostra. Como se vê, a maior parte delas tem entre 3,5 e 5 nm.
Fonte: Tese de doutorado de Lázaro Aurélio Padilha Júnior, IFGW/Unicamp (2006), pág. 29.

As instituições multidisciplinares

Grande parte das atividades dos membros do Grupo relaciona-se com a coordenação e participação nos projetos CePOF, Kyatera e Fotonicom.

O CePOF é um centro multidisciplinar que realiza pesquisa científicas e tecnológicas em óptica e fotônica, transferência de tecnologia para empresas e disseminação de conhecimento para o público em geral. Envolve pesquisadores de cinco unidades da Unicamp (Instituto de Física, Faculdade de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, Instituto de Química, Instituto de Biologia e Faculdade de Ciências Médicas) e do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), em São Paulo.

A Kyatera é uma plataforma de pesquisas em tecnologia de informação, telecomunicações, óptica e fotônica que envolve várias instituições do estado de São Paulo, interconectadas entre si por sistemas ópticos de alta eficiência (em abril de 2005, ela atingiu a máxima taxa de transmissão de dados, de 320 gigabits por segundo). O objetivo é criar um ambiente propício para as pesquisas científicas e tecnológicas colaborativas por meio da interconexão dos institutos de pesquisa, universidades, empresas e agências de fomento. A rede se comunica também com outra rede acadêmica no exterior, por meio de uma conexão com Miami, nos Estados Unidos.

O Fotonicom, criado no final de 2008, é um dos Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia estabelecidos pelo Ministério da Ciência e Tecnologia a partir de 2008 para facilitar a organização institucional da pesquisa científica e tecnológica no Brasil em diversos temas. O Fotonicom, portanto, age em nível nacional. envolvendo universidades e institutos de pesquisa de todo o país. As frentes de ação são a pesquisa, a transferência de conhecimento para a sociedade, a transferência de tecnologia, e a inovação tecnológica.

História do Grupo

O Grupo de Fenômenos Ultrarrápidos e Comunicações Ópticas foi formado em 1975, com o nome Grupo de Fibras Ópticas, para desenvolver pesquisas em comunicações ópticas, em especial sobre as fibras.

O surgimento do grupo está intimamente relacionado com os projetos do governo brasileiro de implementar um sistema nacional de comunicações. Diversos convênios da Telebrás com a Unicamp e com outras universidades nacionais começaram a partir de 1972. Um deles foi o Projeto Sistemas de Comunicação por Laser, com a Unicamp, coordenado por José Ellis Ripper Filho, do IFGW, chegado havia pouco dos Laboratórios Bell, dos EUA. A ideia de um projeto sobre fibras ópticas foi lançada por Sérgio Porto, fundador do Departamento de Eletrônica Quântica do IFGW, que havia chegado à Unicamp na mesma época, vindo da USC, e que também havia trabalhado nos laboratórios Bell.

A Telebrás aceitou financiar o projeto das fibras e, em janeiro de 1974, foi firmado um novo contrato entre a empresa e a Unicamp, que incluiu, no Projeto Sistema de Comunicação por Laser, um Sub-Projeto Fibras Ópticas. No ano seguinte, surgiu o Grupo de Fibras Ópticas no IFGW, depois GFURCO. A ideia era que as fibras fossem produzidas por esse grupo e os lasers pelo Laboratório de Pesquisas em Dispositivos (LPD), também do IFGW – e, depois, a tecnologia fosse transferida para a indústria nacional, por meio do Centro de Pesquisas em Desenvolvimento e Telecomunicações (CPqD), da Telebras. Estes – o laser e as fibras – são os dois elementos fundamentais para as comunicações ópticas. Além disso, foram envolvidos também equipes da Faculdade de Engenharia Elétrica da Unicamp.

Em abril de 1976, a primeira fibra óptica feita no Brasil teve sua fabricação concluída com o seu puxamento numa torre de dois metros de altura num dos laboratórios do IFGW (o procedimento padrão é fazer primeiro uma “pré-forma” e, em seguida, esticá-la até tomar a forma de um longo “fio”).

Em 1976, chegada dos primeiros equipamentos do Projeto de Fibras Ópticas ao Departamento de Eletrônica Quântica

Fibra óptica produzida no IFGW em 1978

A fase de passagem da tecnologia para as indústrias iniciou-se com a transferência desse conhecimento para ABC-Xtal, em 1983. Essa empresa também se estabeleceu em Campinas e vários pesquisadores do Grupo de Fibras Ópticas da Unicamp (e do CPqD) foram trabalhar lá.

A partir dos anos 1980, uma nova geração de cientistas no Grupo de Fibras Ópticas do IFGW começou a mudar o perfil dos interesses e das pesquisas da equipe. Até então, a ênfase eram os estudos voltados para a sua aplicação na indústria nacional; a partir daí, as investigações passaram a ser mais acadêmicas e voltadas para novas tecnologias das comunicações ópticas que estavam então despontando, como os amplificadores ópticos dopados com érbio – que, mais tarde, apareceriam nas prateleiras do comércio – e, depois, as fibras ópticas de cristais fotônicos, ou PCF (que surgiram em 1995, no Reino Unido). Pode-se dizer que o grupo passou mais a antecipar a demanda do mercado do que a reagir a ela.

No fim dos anos 1980, começaram os estudos com pontos quânticos e com fenômenos ultrarrápidos, com perfil bem mais acadêmico e que têm potencial não só de aplicação tecnológica, mas também podem ser usados para investigar fenômenos físicos fundamentais. Além disso, os pontos quânticos têm aplicações em várias áreas da física, da biologia e da medicina.

Os membros da equipe também passaram a investir em projetos de grande porte, pois, para se fazer as pesquisas relevantes, era necessário juntar várias competências complementares. Envolveram-se em projetos cada vez maiores, como o CePOF, que foi estabelecido em novembro de 2000 e o Kyatera, que iniciou-se em 2004. No final de 2008, foi criado o Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Fotônica e Comunicações Ópticas, o Fotonicom, de alcance nacional.

A parte sobre história do Grupo foi baseado em sua maior parte no livreto “Os primórdios das comunicações ópticas no Brasil (1964-1984)”, redigido por Verónica Savignano e cujas pesquisas foram feitas em colaboração com Eliane Valente, Ludmila Maia e Simone Telles; fez parte do evento comemorativo dos 30 anos da primeira fibra óptica brasileira, em 2007, na Unicamp.

A óptica não-linear – Já os amplificadores e outros dispositivos ópticos se aproveitam de fenômenos envolvendo a luz que só aparecem em lasers suficientemente intensos, chamados não-lineares. Por exemplo, quando dois raios de luz laser atravessam certos tipos de material, este produz dois outros raios com freqüências e intensidades diferentes das dos raios originais. Isso gera uma riqueza de fenômenos que permite o funcionamento dos diversos dispositivos – caso contrário, todos eles fariam pouco mais que meros vidros transparentes. Este campo de estudos é chamado óptica não-linear, uma das principais área de estudo do GFURCO.